Назначение, структура и особенности оптической системы оптико-электронного прибора

Оптическая система является одним из наиболее важных узлов ОЭП. В общем случае она служит:

- - для обеспечения требуемых энергетических (светотехнических) соотношений, т.е. для обеспечения заданного уровня сигнала (или отношения сигнал/шум) на приемнике излучения путем сбора необходимого количества энергии излучения, формирования рациональной пространственной структуры пучка лучей и его спектрального состава и т.д;

- - для получения требуемого качества изображения наблюдаемых объектов или полей, что приводит к необходимости обеспечить достаточное пространственное, временное, спектральное и энергетическое разрешение;

- - для выделения полезных оптических сигналов на фоне возможных помех и определения их характерных признаков, для чего также необходимо обеспечить должное разрешение по одному или нескольким параметрам оптического сигнала.

Последнее выполняется не только оптической системой, но всем ОЭП. Однако первичная обработка информации происходит прежде всего в оптической системе, что предъявляет к ней во многих случаях достаточно специфические требования.

Схема оптической системы ОЭП, включающей передающую и приемную части, представлена на рис. 5.1. Такой схеме соответствует активный метод работы, при котором обеспечивается возможность управлять параметрами источника излучения, облучающего наблюдаемый объект. При пассивном методе работы ОЭП, когда используется собственное излучение объекта, имеется лишь приемная часть. В схеме на рис. 5.1. не показаны дополнительные устройства, которые могут входить в состав оптической системы ОЭП (например, сканирующее устройство).

Иногда элементы системы располагаются в другой последовательности. Часто функции нескольких звеньев, представленных на рис. 5.1, совмещены в одном, например, во многих оптико-электронных следящих системах функции оптического анализатора изображения, пространственного фильтра и модулятора выполняет оптический растр.

Рис.5.1. Пример структурной схемы оптической системы ОЭП

Передающая система.

Выбор источника излучения 6 обусловлен требованием обеспечить рациональные энергетические соотношения. В ряде случаев за счет правильного выбора источника можно упростить конструкцию ОЭП, например, не вводить в передающую систему оптический фильтр 5, а часто и отдельный модулятор 3.

Оптический фильтр 5 в передающей системе предназначен, как правило, для выделения из всего спектра излучения источника какой-либо его части, что способствует, например, лучшей селекции наблюдаемого объекта на фоне помех, предотвращению излишней засветки приемной системы в целом и приемника излучения, в частности, скрытности работы ОЭП, защите последующих элементов передающей оптической системы от нагрева и т.д.

Конденсор 4 передающей системы служит для сбора максимально возможного количества потока излучения от источника, а в ряде случаев и для обеспечения рациональных соотношений между площадью сечения пучка и геометрическими параметрами модулятора 3.

Модулятор выполняет особо важную роль в обеспечении помехозащищенности ОЭП при активном методе работы. Выбирая режим работы модулятора передающей системы и его параметры и кодируя передаваемую информацию, можно осуществить в приемной системе хорошую фильтрацию сигнала на фоне внешних и внутренних помех и его декодирование.

Объектив 2 передающей оптической системы формирует диаграмму направленности так, чтобы получить перекрытие зоны возможных перемещений облучаемого объекта 1.

Приемная система.

Наиболее жесткие требования с точки зрения помехозащищенности предъявляются к элементам и узлам приемной системы. Ее объектив 7 должен обеспечить одновременно и сбор необходимого количества энергии, и образование изображения требуемого качества, а в ряде случаев и защиту от вредных внешних воздействий (аэродинамического нагрева, воздействия влаги, избыточного давления и т.п.).

Во многих ОЭП для обеспечения компенсационного режима слежения за наблюдаемым объектом или измерения его параметров, например, его координат, используются специальные компенсаторы, с помощью которых можно уменьшить угловое поле объектива, увеличить быстродействие, компенсировать влияние некоторых помех. На рис.5.1 компенсатор условно показан в виде плоскопараллельной пластины 8, поворачивающейся в сходящемся пучке лучей после объектива.

При современном уровне технологии в большинстве случаев трудно, а иногда и невозможно синтезировать и создать на практике объектив и приемник излучения с требуемыми параметрами и характеристиками. Поэтому в состав приемной системы вводят специальные звенья — фильтры пространственных 9 и оптических 12 частот. В приемную систему может входить также отдельный анализатор оптического изображения, с помощью которого из сигнала-изображения наблюдаемого объекта 1 извлекается информация о его пространственном положении, контурах, законе распределения освещенности и т.п. Очень часто функции такого анализатора выполняет растр — пространственный фильтр 9, а съем полезной информации происходит при относительном взаимном перемещении растра и изображения. В ряде случаев в приемной системе предусматривается отдельный модулятор 10.

Важную роль в борьбе с внутренними шумами играет конденсор (коллектив) 11 приемной системы. С его помощью можно уменьшить размер чувствительной площадки приемника, что снижает уровень шумов последнего. Кроме того, используя конденсор, можно за счет «размытия» размеров изображения на этой площадке устранить вредное влияние неравномерности чувствительности по площадке приемника.

Параметры и характеристики приемника излучения 13 выбирают, как правило, из условий обеспечения необходимой чувствительности и требуемой помехозащищенности всего прибора. При этом важнейшей задачей является согласование параметров приемника с параметрами оптической системы ОЭП, а также наблюдаемого объекта и среды распространения излучения. Часто помимо своих основных функций — преобразования энергии оптического излучения в электрическую — приемник выполняет и другие функции. Например, координатно-чувствительные приемники являются одновременно и анализаторами изображения, а многоэлементные мозаичные приемники и фотоматрицы выполняют одновременно функции пространственных фильтров и анализаторов.

Специфическими свойствами оптической системы ОЭП являются:

- - наличие в ее составе приемника излучения, который одновременно входит в состав электронной системы и выполняет функции согласования между собой этих звеньев прибора;

- - иной, нежели у визуальных оптических систем, спектральный рабочий диапазон (часто, но не всегда). Если этот диапазон широк, то это приводит к большему влиянию некоторых аберраций, например, хроматизма, и усложняет их коррекцию, а также затрудняет выбор оптических материалов, работающих в широком спектральном диапазоне. Если же, как например у лазерных оптических систем ОЭП, этот диапазон весьма узок, то это также обуславливает специфику их расчета и конструкции.

Линзовые и зеркально-линзовые оптические системы, работающие в ИК диапазоне, часто проще, чем системы для видимого диапазона, что объясняется большими значениями показателя преломления и меньшей дисперсией многих материалов, прозрачных в ИК области спектра. Сюда же следует отнести заметное влияние на приемник излучения потоков, испускаемых неохлажденными частями конструкции ОЭП, в том числе и оптическими элементами. Если в визуальных оптических системах для борьбы с «внутренними» бликами и засветками, возникающими за счет рассеяния потока в оптических элементах или на их оправах, применяются специальные покрытия (чернение внутренних поверхностей, коркование и др.), то в ИК системах такие покрытия могут увеличить вредное излучение элементов конструкции и тем самым снизить чувствительность приемника и всего прибора. Поэтому во многих ОЭП, работающих в ИК диапазоне, применяют охлаждаемые диафрагмы, препятствующие поступлению на приемник излучения потока, испускаемого элементами конструкции прибора, находящимися вне его углового поля. Часто предъявляются повышенные требования к простоте и надежности конструкции оптической системы ОЭП, так как работа всего прибора часто идет без доступа оператора.

Многим оптическим системам ОЭП присуща и своя конкретная специфика. Например, весьма специфичны оптические системы, служащие для формирования или приема мощных лазерных пучков, или оптические системы радиометров, предназначенных для исследования слабо нагретых тел.

5.2. Критерии качества оптической системы оптико-электронного прибора

В зависимости от назначения и специфики оптических систем ОЭП используются различные критерии их качества. К числу достаточно общих критериев относятся:

- - коэффициент полезного действия оптической системы h_о (оптический КПД), определяющий потери энергии излучения в этой системе, включая и передающую и приемную ее части;

- - коэффициент оптического усиления оптической системы;

- - оптическая передаточная функция (ОПФ);

- - разрешающая способность и ряд связанных с ними параметров, описывающих пространственное разрешение оптической системы;

- - конструктивные ее параметры;

- - эксплуатационные свойства.

Выбор этих критериев зависит от типа и назначения конкретной оптической системы и всего ОЭП. Поэтому прежде всего рассмотрим перечисленные выше более общие критерии.

КПД оптической системы h_о во многом определяет КПД всего ОЭП. Он учитывает потери потока при отражении его от оптических поверхностей и на поглощение в элементах оптической системы, а также ряд других факторов. Методика расчета h_о описана в § 14.5.

Коэффициент оптического усиления k_опт определяется как отношение потоков излучения, поступающих на приемник излучения при использовании оптической системы и без нее. Если удаленный источник излучения не перекрывает полностью угловое поле оптической системы, то

где t_о — коэффициент пропускания оптической системы (расчет см. § 14.4); A_вх — площадь входного зрачка приемной оптической системы; А_пи — площадь чувствительного слоя приемника излучения.

Можно отметить, что для приемных оптических систем часто t_о=h_о.

Понятия «Передаточная функция» и «Частотная характеристика» оптической системы и «Оптическая передаточная функция (ОПФ)» будут описаны ниже в гл. 10, после рассмотрения правомерности использования преобразования Фурье для процессов образования оптического изображения. Пока же можно отметить, что ОПФопределяет зависимость изменения контраста изображения от пространственной частоты. Как ОПФ, так и более традиционный критерий пространственного разрешения — разрешающая способность во многом зависят от кружка рассеяния, т.е. картины (или функции) распределения освещенности в изображении точечного излучателя. Размер кружка рассеяния и распределение освещенности в нем определяются дифракцией, являющейся следствием волновой природы света, и аберрация ми, т.е. искажениями фронта волны, зависящими от параметров оптических деталей и материалов, а также расфокусировкой и другими нарушениями идеальной оптической схемы.

Аберрации можно уменьшать до допустимых значений изменением радиусов кривизны и толщин оптических деталей и промежутков между ними, подбором оптических материалов. В то же время дифракция зависит от размера диафрагм, ограничивающих пучки, и именно она определяет минимально достижимый размер кружка рассеяния, т.е. качество идеальной безаберрационной оптической системы.

Теоретически предельно оптимальным диаметром кружка рассеяния принято считать диаметр центрального яркого пятна в дифракционной картине изображения точки (диска Эри), угловой размер которого для объектива с круглым зрачком

 (5.1)

где 2D_l измеряется в радианах, а длина волны l и диаметр входного зрачка D — в одинаковых единицах. Радиус диска Эри в фокальной плоскости объектива можно найти, умножив его угловой размер D_l на фокусное расстояние объектива.

Для раздельного восприятия (разрешения) двух точечных объектов в идеальной оптической системе часто считают необходимым, чтобы максимум яркости диска Эри для одного изображения совпадал с первым минимумом (первым темным кольцом) в изображении второго объекта. Тогда минимальный разрешаемый угол между двумя точечными объектами a=1,22l/D, где единицы измерения такие же, как и в (5.1).

В большинстве практических случаев размер кружка рассеяния определяется аберрациями системы, но не дифракционными явлениями, поэтому очень важно свести значения основных аберраций к минимуму.

Радиусы аберрационных кружков рассеяния связаны с важнейшими параметрами оптической системы следующим образом:

Сферическая аберрация		(5.2,а)
Кома		(5.2,б)
Астигматизм		(5.2,в)
Кривизна поля		(5.2,г)
Дисторсия		(5.2,д)
Хроматизм положения		(5.2,е)
Хроматизм увеличения		(5.2,ж)

Согласно обозначениям, r_i — радиус кружка рассеяния; D/f¢ — относительное отверстие; w — угловое поле в пространстве предметов; a_э и b_э — оси эллиптического изображения точки; D — смещение изображения точки от положения, определяемого идеальной оптической системой, вследствие отклонения истинного увеличения от увеличения в идеальной системе; Dl_l— разность размеров изображений одного и того же отрезка объекта для двух лучей с различными длинами волн; k_i — коэффициенты аберраций [18].

При выборе диапазона длин волн, в котором работает система, необходимо учитывать изменение показателя преломления в этом диапазоне и возникающие в связи с этим хроматические аберрации отдельных компонентов системы. Устранять хроматизм можно не только обычной коррекцией, заключающейся в совместном использовании элементов с дисперсией различного знака, например ахроматизированных дублетов, но и выбором материала с постоянным значением п в интересующем разработчика диапазоне спектра.

Формулы (5.2,а) — (5.2,ж) сохраняют свой вид и для систем, образованных асферическими поверхностями, т.е. ввод асферических поверхностей не нарушает пропорциональность размера аберрационного кружка таким параметрам оптической системы, как относительное отверстие и угловое поле.

В каждом конкретном случае приходится корригировать (исправлять) оптическую систему в отношении определенных аберраций. Наиболее часто в узкопольных ОЭП требуется устранять сферическую, хроматическую аберрации и кому. Методы коррекции оптических систем ОЭП, как правило, ничем не отличаются от традиционных методов расчета оптических систем [4, 7, 18].